龙燕燕 黄善厚

摘 要：本文以《印象北部湾》香器系列作品中的闻香杯为例，详细介绍了在三维扫描的基础上，基于Geomagic Stdio软件的数据处理过程、基于UG软件的逆向建模过程和基于SLA的快速成型过程。同时，验证了逆向工程技术可以为坭兴陶个性化产品设计提供新的途径，为坭兴陶产业的发展提供更多的可能性。

关键词：逆向工程;坭兴陶;快速成型

中图分类号：TP391.7;TS943.2 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2020）04-0027-03

Abstract： In this paper， taking the smell cup in Impression Beibu Gulf as an example， the data processing process based on Geomagic Stdio software， the reverse modeling process based on UG software and the rapid prototyping process based on FDM were introduced in detail on the basis of 3D scanning. It was verified that reverse engineering technology could provide a new way for nixing pottery personalized product design and more possibilities for the development of nixing pottery industry.

Keywords： reverse engineering;Nixing Pottery;rapid prototyping

1 研究背景

逆向工程又称反向工程，其是一种基于实物的三维扫描而反求建模的过程。快速成型是基于材料堆积法的一种高新制造工艺，集机械工程、CAD、数控技术、材料科学、激光技术于一身，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变成原形或零件，从而为新设计思想的校验提供了一种高效低成本的实现手段[1]。近几年，逆向工程与快速成型技术相结合，已广泛应用于模具生产、航空、医学、文物保护等领域，但应用于坭兴陶产品设计的还比较少见。运用逆向工程获得产品的三维数据，对三维数据进行二次开发與设计，再应用快速成型技术呈现再设计后的效果是实现坭兴陶产品个性化开发与设计的重要途径之一。

本文选取《印象北部湾》香器系列中的闻香杯（见图1）来详细说明三维扫描、逆向建模、快速成型等逆向工程技术在坭兴陶个性化产品设计中的应用。

2 三维扫描

2.1 模型扫描

为了获得真实完整的扫描数据，本文选用PRINCE系列手持式三维激光扫描仪。该扫描仪其采用多条线束激光来获取物体表面的三维点云，可自动定位，精度较高（0.03 mm），扫描点云数据无分层，可自动生成，其扫描过程如下。

①涂显像剂。在样品表面均匀地涂一层白色的显像剂，以便于扫描激光的反射和三维数据的收集。

②视觉标记。在样品的关键过渡处放置视觉标记点，以确定扫描仪在扫描过程中的空间位置，这些空间位置被用于空间位置转换。

③多角度扫描。样品保持不动，手持三维激光扫描仪平稳地、多角度地对样品进行扫描，如图2所示。通过扫描仪上的两组相机不断获得线状三维信息，并同时通过视觉标记不断获得空间相对位置，从而形成连续的三维数据，确认扫描数据完整、无漏点即可保存。

2.2 数据处理

由于扫描的点云数据可能会接收到非标记点的扫描反射光，因此，会不可避免地存在偏差，出现一些杂点、噪点、坏点。因此，要对点云数据进行一系列处理，包含删除杂点和坏点、减少噪声、删除钉状物、优化网格、手动填补孔洞、光滑处理数据等。本文采用专用的Geomagic Stdio逆向软件对点云数据进行处理，最后将点云数据封装成三角形面片，保存成STL格式，为后续的逆向建模设计提供原始的数据支撑。

3 逆向建模

STL格式是小三角形片体，具有不可编辑性，将STL格式数据导入CATIA、Pro/E、UG、FreeFrom等三维CAD造型软件中进行实体建模，得到具有相关参数、可编辑、可修改的实体模型，以最终实现产品的再开发与再设计。本文选用UG软件进行逆向实体建模。

3.1 调整坐标

每一个软件都有自己的坐标系统，不同软件之间往往具有不兼容性。将STL格式数据导入UG软件中时，由于其具有Geomagic Stdio软件中的坐标系，与UG软件中的坐标系不匹配，会影响后续建模，因此，导入STL格式数据后，首先要对坐标系进行调整[2]。

该样品底面在同一平面上，结构是左右对称，因此选用底面所在的平面为基准，将其旋转至与UG坐标系中XY平面重合;再以样品左右对称中心线为基准，将其调整至与UG坐标系中Y轴重合;最后更改左右对称面任一边数据的颜色，并将其镜像到另一边，看是否与另一边原来的数据重合，重合即坐标调整正确无误，不重合则需要继续调整。

3.2 实体旋转

闻香杯杯身与杯盖主体结构可由回转命令生成，通过平面剖切STL模型留下截面曲线，并以此为依据绘制旋转草图，再运用旋转及抽壳命令生成。

3.3 曲面构建及缝合

杯身两边及杯盖上海腾造型为曲面结构，在构建过程中需要先生成样条曲线，再自动调整曲率使其光滑连接，不连贯处要对曲线进行桥接，最后以样条曲线构建网格曲线，在构建网格曲线时，一定要保证选取的各点在同一平面上，并严格保持各相切关系。网格曲线生成后，即可采用曲线网格命令生成曲面，最后完成对曲面的缝合。

3.4 镜像及布尔求和

样品杯身上还雕刻有一些曲线状花纹，此花纹具有一定的对称性。因此，在构建时只需创建一小段即可，其他可用阵列命令生成。构建时需要先以样条曲线生成曲面，如图3所示，再得到曲面与杯身实体的截交线，对截交线偏移，构建新的曲面，并进行修剪、阵列、布尔求和，最终生成的三维实体模型如图4所示。

4 快速成型

快速成型技术能极大地缩短产品研发周期，快速验证设计者的设计理念与思路。近年来，快速成型技术的应用越来越普遍，发展也越发成熟。目前常见的快速成型技术有SLA、LOM、FDM和SLS等方法。其中，SLA是將计算机控制下的紫外线激光束按预定零件各分层截面的轮廓为轨迹对液态光敏树脂逐点扫描，使薄层液态树脂产生光聚合反应而固化，从而形成零件的一个薄层截面[3]。该技术具有表面质量好、精度高、材料利用率接近100%的优点，适用于复杂而精细的中小件。此样件选用SLA快速成型方法，成型材料为ZR680，具体如图5所示。

将完成逆向建模后的3D模型在UG中导出成STL格式，再导入切片软件中进行切片处理，并完成切片层厚、支撑角度、填充角度、下沉移动速度及刮板轴移动速度等参数设置。为了减少误差，本样品切片层厚设为1 mm，扫描质量设为优级。

激光发生器按切片形状对液态树脂进行扫描，待液态树脂固化后升降台下降1 mm，刮平器来回运动保证液态树脂上表面位置不变，激光发生器再按切片形状扫描该层液态树脂使其固化，然后逐层扫描叠加最终快速成型。快速成型完成后，将样件从升降台上取下并进行清洗，去掉支撑部分，完成打磨抛光等后续工序。快速成型后的实物如图6所示。

5 结语

逆向工程技术在实现坭兴陶产品个性化创新设计中具有重要的意义。运用逆向工程技术，可以将设计者的创新思想与灵感在最短的周期内进行快速验证，并根据验证结果对模型进行再创新、再开发，从而促进坭兴陶产业的快速发展。

参考文献：

[1]朱小明，韩伟，刘楚生，等.基于逆向工程和3D打印的鞋子个性化设计制作[J].塑料科技，2019（12）：89-92.

[2]胡双喜.基于逆向工程的个性化产品创新设计与模型制作[J].机械工程与自动化，2019（5）：197-199.

[3]陈忠士，邹泽昌，刘伟林.基于逆向工程技术的连杆创新设计[J].机械工程师，2019（11）：77-78，85.